基于數(shù)字化生產(chǎn)車間的動力鋰電池電芯智能制造新模式

0 引言

制造業(yè)是國家的經(jīng)濟命脈，而汽車制造業(yè)又是戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)，面對全球節(jié)能減排的巨大壓力，發(fā)展新能源汽車成為了我國由汽車大國邁向汽車強國的必由之路。動力鋰電池電芯作為電能的載體，是新能源汽車的心臟，目前鋰電池行業(yè)競爭日趨激烈，如何應(yīng)用基于數(shù)字化車間的智能制造技術(shù)形成高度自動化、智能化、多功能、高效率、低消耗的電池生產(chǎn)新模式是鋰電行業(yè)取得突破性發(fā)展的關(guān)鍵。

1 智能制造的概念及背景

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種建立在新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)有效集成并應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、管理和服務(wù)的全生命周期，在制造的過程中進行診斷、分析、決策、控制，實現(xiàn)訂單需求響應(yīng)、新產(chǎn)品輔助開發(fā)、智能化倉儲物流以及實時對生產(chǎn)過程及供應(yīng)鏈進行優(yōu)化的人機一體化智能系統(tǒng)的總稱。

隨著德國工業(yè)4.0概念的提出，目前智能制造逐漸成為了未來工業(yè)發(fā)展的主題，其應(yīng)用水平和普及程度已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。中國是制造業(yè)大國，但還不是強國。面對國際競爭新形勢，我國提出了《中國制造2025》戰(zhàn)略，其中動力鋰電池電芯的智慧工廠模式涉及綠色制造和智能制造兩大工程。

2 動力鋰電池及制造工藝淺析

動力鋰電池是為電動車提供動力的電源（見圖1），鋰電池的工藝復(fù)雜，工序繁多（見圖2），而且每道工序?qū)﹄姵氐男阅芏加泻艽笥绊?。整個制造過程需要對環(huán)境的溫度、濕度等進行控制，為了提升電池質(zhì)量需要采用精密的高度自動化設(shè)備，對電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的每個節(jié)點進行嚴格而有效的監(jiān)控，減少電池的差異性，其生產(chǎn)過程也需要非常的科學(xué)、合理、標(biāo)準(zhǔn)化，以減少人的參與。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

圖2 制造工藝流程

3 智能制造新模式的總體規(guī)劃與層級劃分

新模式以建成“智能化+數(shù)字化+信息化企業(yè)”為總體目標(biāo)，結(jié)合智能化生產(chǎn)控制中心、智能裝配中心與生產(chǎn)線、智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控和智能化倉儲/運輸與物流形成數(shù)字化生產(chǎn)車間（見圖3），按層級劃分可分為企業(yè)層、車間層和執(zhí)行層三個層面。

圖3 智能制造新模式的總體規(guī)劃與層級劃分

該模式既有層級劃分，又是有機的整體，可實現(xiàn)信息的實時交互，多維度的管理過程，能夠?qū)⒖蛻粜枨蟆a(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品試制及量產(chǎn)等環(huán)節(jié)進行更科學(xué)的結(jié)合。和傳統(tǒng)的制造模式相比，可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時增強客戶需求的靈敏度。從產(chǎn)品質(zhì)量角度解讀，該模式能夠加快售后部分的分析，縮短處理時間。對于有問題的產(chǎn)品，可以利用MES系統(tǒng)，對產(chǎn)品進行追溯，實現(xiàn)一碼查詢，便可以追溯到初始的生產(chǎn)原材批次，以及工藝制程中的關(guān)鍵參數(shù)，最終達到快速解決問題的效果。

3.1 企業(yè)層總體規(guī)劃

企業(yè)層以PLM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)為核心，針對動力鋰離子電池生產(chǎn)制造流程，構(gòu)建設(shè)計數(shù)據(jù)網(wǎng)和制造工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，建立數(shù)字化工廠資源數(shù)據(jù)高效協(xié)同與集成平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)和企業(yè)資源的數(shù)字化管理和可視化生產(chǎn)控制新模式（見圖4），實現(xiàn)從訂單到產(chǎn)品的全過程智能制造。

圖4 可視化生產(chǎn)管控新模式

3.2 車間層的設(shè)計

數(shù)字化車間層是以車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為核心，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面管控，以數(shù)字化裝配車間（見圖5）為例，該設(shè)計結(jié)合電池結(jié)構(gòu)和熱性能仿真系統(tǒng)（ANSYS）、車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)等設(shè)計軟件進行產(chǎn)品數(shù)字化三維設(shè)計與工藝仿真、工藝流程設(shè)計及數(shù)字化建模、建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、制造過程現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與可視化，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理軟件無縫結(jié)合，使ANSYS、MES、ERP系統(tǒng)之間高效協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到制造加工的全自動智能運轉(zhuǎn)。

圖5 數(shù)字化車間架構(gòu)

在鋰電池生產(chǎn)制程中，可根據(jù)MES采集的實時數(shù)據(jù)，將六西格瑪管理質(zhì)量管理體系理念進行具體的實施。對于新引進設(shè)備，在完成設(shè)備調(diào)試之后，將CMK值作為設(shè)備過程能力指數(shù)的評估值，從而做到質(zhì)量管理體系和設(shè)備管理有機結(jié)合，當(dāng)CMK小于1.67時，需要對設(shè)備的相關(guān)動作步進行拆分，逐步提升和優(yōu)化，使設(shè)備具備穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)。以關(guān)鍵工序的關(guān)鍵參數(shù)計算CPK值，評價關(guān)鍵工序的過程能力，當(dāng)該值小于1.67時，需要利用積累的數(shù)據(jù)，從人、機、料、法、環(huán)等方面對該工序進行深入分析，找到影響的主要因素，制定相應(yīng)的改善方案，提高過程能力，最終保證產(chǎn)品的關(guān)鍵特性。

3.3 執(zhí)行層的設(shè)計

執(zhí)行層是以智能化生產(chǎn)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)為核心，結(jié)合工藝裝備特點，通過生產(chǎn)工藝流程建模、開發(fā)應(yīng)用核心智能制造裝備，實現(xiàn)控制中心、生產(chǎn)裝備、物聯(lián)網(wǎng)之間的信息交流和數(shù)據(jù)信息的全面采集。

采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用在線故障診斷與分析系統(tǒng)，建立現(xiàn)場工業(yè)總線Profibus網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場PLC。采集車間各個生產(chǎn)線上的設(shè)備運行狀態(tài)信息、匯總、自動分析診斷故障，并把故障發(fā)生的時間、位置、原因及排除的情況記錄到設(shè)備檔案數(shù)據(jù)庫中，并形成報表，車間診斷無法解決的問題將通過廣域網(wǎng)由遠程診斷系統(tǒng)在線診斷，從而快速解決問題。

鋰電池行業(yè)作為目前的新興行業(yè)，相關(guān)的過程存在較多特殊特性，因此鋰電設(shè)備存在大比例的非標(biāo)設(shè)計，設(shè)備的某些性能還存在不足。伴隨著相關(guān)數(shù)據(jù)的不斷積累，對設(shè)備的相關(guān)故障數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，從而確定各工藝設(shè)備產(chǎn)生故障的主要因素及其固有的故障規(guī)律。以此設(shè)定相關(guān)的防范指標(biāo)，通過對該指標(biāo)的檢測來達到對設(shè)備的預(yù)見性維護保養(yǎng)。對于設(shè)備機械部分零件的磨損情況建立數(shù)字化模型，分析關(guān)鍵部件的生命周期，并以此作為根據(jù)，進行備件的種類、數(shù)量以及安全庫存，進行合理的實施，達到有效保證生產(chǎn)持續(xù)性的目的。對于設(shè)備中的易損件種類及其數(shù)量的評估更準(zhǔn)確，形成更為科學(xué)精準(zhǔn)的判定。從財務(wù)角度，可以確保設(shè)備的維修維護費用更為準(zhǔn)確，更能夠充分發(fā)揮資金使用的有效性。

基于數(shù)據(jù)報表，可以得到生產(chǎn)制程中，設(shè)備的平均故障間隔時間、設(shè)備的平均維修時間等數(shù)據(jù)，從一定程度上對相關(guān)工程師的能力做出評價，對存在的短板進行凝練和甄別，協(xié)同搭配，更為科學(xué)地推動團隊專業(yè)能力的提升。

4 信息數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究

智能制造數(shù)字化工廠最關(guān)鍵的就是信息的數(shù)字化，若想實現(xiàn)真正意義上的智能制造，必須從產(chǎn)品的最初設(shè)計階段開始對信息進行數(shù)字化處理，在產(chǎn)品的制造過程中對產(chǎn)品的制造信息進行數(shù)字化，通過信息管理軟件對制造信息進行處理，實現(xiàn)信息收集、整理、判斷、決策等高智能工作。

4.1 產(chǎn)品及工藝設(shè)計的數(shù)字化

將用戶需求和市場信息通過數(shù)字化設(shè)計支撐平臺、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)字化仿真與模擬平臺轉(zhuǎn)化成數(shù)字模型，再應(yīng)用產(chǎn)品工藝設(shè)計軟件設(shè)計出合理的工藝路線，再將信息發(fā)送到數(shù)字化車間的MES系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成數(shù)字化車間能夠執(zhí)行的指令，從而設(shè)計出符合客戶需求的產(chǎn)品，同時根據(jù)產(chǎn)品特性設(shè)計出最佳的加工工藝路線形成以客戶需求為驅(qū)動的智能設(shè)計系統(tǒng)（見圖6）。

圖6 產(chǎn)品數(shù)字化三維設(shè)計與工藝仿真

4.2 生產(chǎn)管理的數(shù)字化

建立集成接口標(biāo)準(zhǔn)，基于ESB實現(xiàn)ERP、PDM、MES等多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成，打通設(shè)計、工藝、制造、管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流與業(yè)務(wù)流，實現(xiàn)各異構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一接口管理和信息傳遞，減少接口數(shù)量，提高生產(chǎn)管理效率。

如圖7所示，三大系統(tǒng)之間信息共享，增強生產(chǎn)活動的協(xié)同高效性，從設(shè)計到制造，變更信息，可迅速進行有效傳遞，避免由于信息滯后性造成的物料浪費，最大程度使物料得到充分利用，降低成本。緊跟市場動態(tài)，圍繞客戶需求，進行快速轉(zhuǎn)化，高效地匹配客戶的訂單要求，提高產(chǎn)品交付及時性。同時，基于數(shù)據(jù)進行分析，能夠更客觀、更準(zhǔn)確地評估成本，加強決策精準(zhǔn)性，使企業(yè)的戰(zhàn)略性布局更科學(xué)有效。

圖7 MES/PLM/ERP系統(tǒng)高效協(xié)同與集成

5 結(jié)語

數(shù)字化車間新模式應(yīng)用是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本實現(xiàn)智能制造的重要手段，它是以智能系統(tǒng)和裝備研制集成建設(shè)為基礎(chǔ)，以信息化技術(shù)、先進制造技術(shù)和模式在研發(fā)設(shè)計、工藝流程、生產(chǎn)裝備、過程控制、物料管理等環(huán)節(jié)的集成應(yīng)用為紐帶的集成建設(shè)和應(yīng)用工程，是先進智能制造技術(shù)在實際制造過程中的實現(xiàn)基礎(chǔ)。

本項目的順利實施將形成動力鋰電池生產(chǎn)制造行業(yè)可推廣復(fù)制的智能制造新模式，提升國產(chǎn)動力電池在國際市場的競爭力，為國內(nèi)新能源汽車的高質(zhì)、快速發(fā)展提供有力支撐。